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中山大學(xué)：系統(tǒng)測(cè)算全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的“水-碳”協(xié)同優(yōu)化潛力

成果簡(jiǎn)介

       中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院陳紹晴課題組長(zhǎng)期圍繞著能-水-碳等的協(xié)同管理，開(kāi)展城市減污降碳模式、機(jī)制與路徑的系列研究，前期研究發(fā)表于Nature Communications、Environmental Science & Technology、《中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)》等國(guó)內(nèi)外重要刊物上，相關(guān)成果已應(yīng)用于支撐國(guó)家部委和省市級(jí)政府的資源利用管理和碳減排等決策。

       近日，陳紹晴課題組聯(lián)合南京大學(xué)劉蓓蓓、北京師范大學(xué)陳彬等在Nature Water期刊上發(fā)表了題為“Decoupling wastewater-related greenhouse gas emissions and water stress alleviation across 300 cities in China is challenging yet plausible by 2030”的研究成果，系統(tǒng)分析了我國(guó)超300個(gè)地級(jí)市的城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行和再生水的分布式數(shù)據(jù)，搭建了污水處理系統(tǒng)的多區(qū)域投入產(chǎn)出模型，由此量化各地城鎮(zhèn)污水廠全生命周期溫室氣體排放，通過(guò)構(gòu)建“水-碳”脫鉤指標(biāo)（CIWSA—可即時(shí)度量緩解每單位水壓力所產(chǎn)生的溫室氣體排放），評(píng)估了未來(lái)各地溫室氣體排放和水壓力緩解間的脫鉤潛力，為城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)“水-碳”協(xié)同優(yōu)化提出政策建議。

引言

       二十大報(bào)告指出，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發(fā)展，協(xié)同推進(jìn)降碳、減污、擴(kuò)綠、增長(zhǎng)。在這一重大戰(zhàn)略背景下，城市基礎(chǔ)設(shè)施的綠色低碳轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。近年來(lái)，隨著水環(huán)境質(zhì)量要求的提升，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模經(jīng)歷了迅猛的擴(kuò)張，其中一個(gè)重要的挑戰(zhàn)是如何有效管控由此而來(lái)的溫室氣體排放。國(guó)務(wù)院2022年6月印發(fā)了《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》，提出構(gòu)建區(qū)域再生水循環(huán)利用體系，開(kāi)展城鎮(zhèn)污水處理和資源化利用碳排放測(cè)算，推進(jìn)水環(huán)境治理協(xié)同控制。在碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)下，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠有著持續(xù)提質(zhì)增效和溫室氣體減排等多重需求。從全生命周期視角，系統(tǒng)測(cè)算和挖掘城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的節(jié)水減碳協(xié)同優(yōu)化潛力，尤為重要。

圖文導(dǎo)讀

1、我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理溫室氣體排放強(qiáng)度下降且水資源壓力緩解顯著

圖1. 2006-2015年我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理全生命周期溫室氣體排放和水壓力緩解程度變化

       研究發(fā)現(xiàn)，2006-2015年間，由于污水處理廠數(shù)量的大幅度增加（從2006年976座增至2015年的6276座），我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)全生命周期溫室氣體排放增加了176%（圖1）。相比之下，溫室氣體排放強(qiáng)度呈現(xiàn)整體快速下降的趨勢(shì)，污水處理、再生水利用和污泥處置各階段的排放強(qiáng)度分別下降了61%、28%和30%。與此同時(shí)，在污水處理和再生水利用的共同作用下，全國(guó)城市水壓力（WSI）的平均緩解程度從2.1%增加到5.7%。對(duì)于華北和華東地區(qū)大多數(shù)城市，溫室氣體排放雖然普遍較高，但由于再生水利用量較大，這些城市的CIWSA值僅為華南和西南地區(qū)城市的一半。

2、處理技術(shù)選擇對(duì)污水處理相關(guān)“水-碳”耦合的影響顯著

圖2. 我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)技術(shù)層面“水-碳”耦合關(guān)系

       技術(shù)的選擇深刻地影響了污水處理相關(guān)的水-碳耦合關(guān)系（圖2）。從全國(guó)水平上看，2015年厭氧-缺氧-好氧/厭氧好氧工藝（A2O/AO）、物化處理（PC）和氧化溝（OD）處理對(duì)水壓力緩解的貢獻(xiàn)最大，分別為41%、12%和18%，其對(duì)達(dá)到I-B排放標(biāo)準(zhǔn)的出水以及再生水利用量的貢獻(xiàn)也最大。污水經(jīng)過(guò)處理后，有66%的出水I-B排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水壓力緩解的貢獻(xiàn)達(dá)到72%，再生水利用對(duì)水壓力緩解的貢獻(xiàn)達(dá)到28%，這些技術(shù)顯著提升了城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)對(duì)水資源可持續(xù)性的貢獻(xiàn)能力。從全生命周期角度看，A2O/AO、PC和OD對(duì)溫室氣體排放總量的貢獻(xiàn)最大，分別為33%、16%和14%。就強(qiáng)度而言，A2O/AO、OD和SBR的全生命周期排放強(qiáng)度較低，在1.0-1.2 kg/m3范圍內(nèi)，可作為有效提升“水-碳”協(xié)同的重要技術(shù)選項(xiàng)。

3、我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的節(jié)水減碳潛能巨大

圖 3. 2030年我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的“水-碳”脫鉤情景分析

       組合政策情景分析結(jié)果表明（圖3），如果進(jìn)一步強(qiáng)化再生水利用，2030年城市水壓力緩解程度將在2015年的基礎(chǔ)上繼續(xù)增強(qiáng)一倍。到2030年，28個(gè)城市的水壓力得到顯著緩解，而在2015年這一城市數(shù)量?jī)H為15個(gè)。在無(wú)技術(shù)優(yōu)化的情境下，強(qiáng)化再生水利用可能導(dǎo)致額外增加12%的溫室氣體排放。但若在污水處理、再生水利用和污泥處置各階段均采用低碳排放強(qiáng)度的現(xiàn)有處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)27%的減排，足以抵消污水處理量和再生水利用規(guī)模擴(kuò)大帶來(lái)的氣候影響。華南和華東地區(qū)城市（如廣州、深圳和杭州）預(yù)期減排效果最為顯著，在技術(shù)優(yōu)化情境下2030年排放量可較2015年下降16%~20%。2030年全國(guó)整體預(yù)期將實(shí)現(xiàn)“水-碳”深度脫鉤，但西北地區(qū)仍需解決水資源壓力和減少溫室氣體排放“難協(xié)同”的問(wèn)題。這一系列研究結(jié)果可為優(yōu)化“雙碳”目標(biāo)下再生水利用和污水處理設(shè)施管理、協(xié)同推進(jìn)區(qū)域減污節(jié)水降碳提供科學(xué)決策依據(jù)。

文章來(lái)源：環(huán)境人Environmentor、中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院陳紹晴課題組

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